Il dottor Dehong Yu (a sinistra) e il dottorando Caleb Stamper dell'Università di Wollongong allo spettrometro di neutroni al momento del volo Pelican. Non mostrato:Dr David Cortie. Credito:Organizzazione australiana per la scienza e la tecnologia nucleare (ANSTO)
La prima prova sperimentale per convalidare una legge universale appena pubblicata che fornisce informazioni sugli stati energetici complessi per i liquidi è stata trovata utilizzando una tecnica nucleare avanzata presso ANSTO.
Il lavoro è stato appena pubblicato nel Journal of Physical Chemistry Letters a scelta dell'editore e presente sulla copertina del giornale.
L'equazione per la densità vibrazionale degli stati formulata da Alessio Zaccone e Matteo Baglioli è stata pubblicata in un articolo su PNAS nel 2021, fornendo una risposta a una domanda che resta inafferrabile da almeno un secolo.
L'elegante teoria matematica ha risolto il problema di ottenere la distribuzione di questi stati energetici complessi per i liquidi.
"Una delle quantità più importanti nella fisica della materia è la distribuzione delle frequenze o energie vibrazionali delle onde che si propagano nella materia. È particolarmente importante in quanto è il punto di partenza per calcolare e comprendere alcune proprietà fondamentali della materia, come il calore specifico e la conducibilità termica, e l'interazione luce-materia", ha affermato il prof Zaccone sul sito dell'Università degli Studi di Milano.
"Il grosso problema con i liquidi è che, oltre alle onde acustiche, ci sono altri tipi di eccitazioni vibrazionali legate alle basse energie del movimento disordinato di atomi e molecole, eccitazioni che sono quasi assenti nei solidi. Queste eccitazioni sono tipicamente di breve durata e sono legate al caos dinamico dei moti molecolari ma sono comunque molto numerose ed importanti, soprattutto a basse energie Matematicamente, queste eccitazioni, conosciute come 'modi normali istantanei' o INM nella letteratura specializzata sono molto difficili da affrontare in quanto corrispondono a stati energetici descritti da numeri immaginari."
Lo spettrometro di neutroni a tempo di volo Pelican presso il Center for Neutron Scattering di ANSTO è stato utilizzato per misurare le densità vibrazionali degli stati per diversi sistemi liquidi tra cui acqua, metallo liquido e liquidi polimerici. Lo strumento Pelican ha l'estrema sensibilità per misurare le vibrazioni rotazionali e traslazionali su brevi intervalli di tempo ea basse energie.
Gli esperimenti all'ANSTO hanno confermato la relazione lineare della densità vibrazionale degli stati con frequenza a basse energie come previsto da Alessio Zaccone e Matteo Baglioli, come mostrato nella figura sottostante.
Conferma della legge universale con VDOS sperimentale misurato mediante scattering anelastico di neutroni su sistemi liquidi reali tra cui acqua, metallo liquido e liquidi polimerici. Credito:The Journal of Physical Chemistry Letters (2022). DOI:10.1021/acs.jpclett.2c00297
Con il blocco del COVID, nessuna accessibilità agli strumenti, il piccolo team che includeva il dottorato di ricerca dell'Università di Wollongong. il candidato Caleb Stamper, il Dr. Cortie e il Dr. Yu hanno deciso di concentrarsi sulla rianalisi dei dati sperimentali passati da una nuova prospettiva, per validare la nuova legge, ispirandosi al lavoro teorico di Alessio Zaccone e Matteo Baglioli.
"L'esercizio non solo raggiunge un risultato così eccezionale, ma fornisce anche una buona introduzione della spettroscopia di neutroni a Caleb, che ha svolto un lavoro eccellente", ha affermato il dottor Yu in qualità di supervisore ANSTO di Caleb e corrispondente autore del documento.
Il lavoro li aiuterebbe anche ad affrontare le questioni relative alle transizioni di fase nei liquidi superionici nel loro lavoro sui materiali termoelettrici.
"Grandi sfide sorgono perché i liquidi non sono meccanicamente stabili, poiché gli atomi in un liquido si diffondono e il liquido nel suo insieme scorrerà", ha spiegato il dottor Cortie.
La legge universale si basa su un quadro teorico, noto come modi normali istantanei, come descritto sopra dal Prof Zaccone, che prescrivono come quantità un insieme di forze, frequenze e velocità istantanee.
Una complicazione nel derivare una teoria per prevedere la densità vibrazionale degli stati nei liquidi è sorta a causa della presenza di una piccola frazione di "modi immaginari".
"I modi immaginari sono importanti perché rappresentano il fatto che un liquido non è stabile. Gli atomi in un liquido interagiscono costantemente tra loro ma non allo stesso modo di un solido. La relazione non è 'armonica', il che significa che gli atomi non verranno ripristinati alla stessa configurazione dopo un'interazione. Gli atomi continueranno a diffondersi rapidamente ea scivolare l'uno sull'altro", ha affermato Stamper.
"Le modalità immaginarie riflettono la curvatura negativa sulla superficie di energia potenziale di un liquido. È un panorama energetico molto complesso, ma se si pensa all'analogia di un surfista su un'onda oceanica. Gli atomi nel liquido seguono le curve dell'onda stesso (vedi la copertina del diario). Ma gli atomi possono essere in una posizione sulla cresta, sotto la tavola da surf o nella depressione, sempre in movimento", ha detto il dottor Yu.
"La legge svolgerà, per i liquidi, lo stesso ruolo fondamentale che la legge di Debye gioca per i solidi. Servirà come base per l'intero campo di ricerca che coinvolge i liquidi e oltre". + Esplora ulteriormente
